11 第十一章 结构零部件设计

同济⼤学⼟⽊⼯程第⼗⼀章混凝⼟结构的设计⽅法和理念第⼗⼀章混凝⼟结构的设计⽅法和理念⼀、计算理论⼆、结构的鲁棒性三、建筑结构设计理论的发展四、结构极限状态的基本概念五、结构可靠度的基本概念六、近似概率法在设计规范中的应⽤七、传统设计理念的启⽰z钢筋混凝⼟结构的有限元分析⽅法钢筋混凝⼟有限元法中，针对钢筋与混凝⼟两种材料组合特点、裂缝形成和扩展的特点，需要研究的主要问题有：①混凝⼟的破坏准则；②混凝⼟的本构关系；③钢筋与混凝⼟之间的粘结关系；④钢筋的本构关系；⑤裂缝处理；⑥对于长期荷载，还要考虑材料的时效，主要是混凝⼟的徐变、收缩和温度特性。

钢筋混凝⼟结构的有限元分析与⼀般固体⼒学有限元分析相⽐，其特点是：①材料的本构关系；②有限元的离散化。

考虑这些特点的钢筋混凝⼟结构的有限元模型有：①分离式模型；②组合式模型；③整体式模型；④有限区模型。

z钢筋混凝⼟结构的极限分析对于板、壳、连续梁、框架结构的极限承载⼒，采⽤极限分析法直接求解，是⼀个发展⽅向，并已有较多成果，但需保证结构的正常使⽤（限制裂缝和变形）和薄壁结构与细长压杆的稳定性，以及防⽌脆性的剪切破坏和钢筋锚固失效。

z混凝⼟断裂⼒学在计算理论中，另⼀个值得注意的发展⽅向是混凝⼟断裂⼒学在⽔⼯⼤坝中的应⽤。

z混凝⼟的收缩与徐变混凝⼟收缩与徐变的研究⼀直是混凝⼟计算理论中的⼀个重要⽅⾯，对⽔⼯混凝⼟及预应⼒混凝⼟的计算理论影响甚⼤。

我国⽔利⽔电科学研究院多年来进⾏了系统的研究，出版了专著《混凝⼟的收缩》和《混凝⼟的徐变》，对影响混凝⼟收缩和徐变的因素，结合我国⼯程实际情况，提出了估算收缩的⽅法，介绍了六种徐变计算理论。

z⼯程结构可靠度⼯程结构包括混凝⼟结构，在设计、施⼯、使⽤过程中，事物具有种种影响结构安全性、适⽤性和耐久性的不确定性，这些不确定性⼤致可分为：①事物的随机性：荷载、材料等随机性②事物的模糊性：如“正常使⽤”与“不正常使⽤”，耐久性“好”、“良好”、“不好”之间⽆明确界限③信息的不安全性：部分信息已知的系统成为灰⾊系统，在⼯程结构设计中由于对情况认知不完全，或对决策者不能提供完备的信息，就会遇到灰⾊系统问题。

第十一章混凝土结构第一节混凝土结构材料一、混凝土结构概述（一）混凝土结构的一般概念普通混凝土是由一定比例的水泥、砂、石和水经拌和、浇注、振捣、养护，逐步凝固硬化形成的人工石材,简称“砼”。

(a) 素混凝土基础(b) 钢筋混凝土梁(c) 预应力混凝土空心板(d) 钢骨混凝土柱(e) 钢管混凝土柱图11-1 常见的混凝土结构形式图11-1 常见的混凝土结构形式受压区受拉区受压区受拉钢筋受拉区（混凝土裂缝）图11-2 素混凝土和钢筋混凝土简支梁受压钢筋图11-3 钢筋混凝土柱图11-2 素混凝土和钢筋混凝土简支梁图11-3 钢筋混凝土柱1.楼板（楼层板、屋面板）2.梁（主梁、次梁）3.柱4.墙5.基础上柱边梁下柱基础楼板主梁次梁（二）混凝土结构的组成图11-4 混凝土结构组成示意二、混凝土（一）混凝土的强度1.混凝土立方体抗压强度fcu与混凝土的强度等级我国《混凝土结构设计规范》（GB50010）规定，混凝土按其立方体抗压强度标准值fcu,k的大小划分为14个强度等级，分别为C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80。

2.混凝土轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）fc3.混凝土轴心抗拉强度ft（二）混凝土的变形表11-1 混凝土强度标准值（N/mm2）项次符号混凝土强度等级C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C801fc,k10.013.416.720.123.426.829.632.435.538.541.544.547.552.52ft,k1.27 1.54 1.782.01 2.20 2.40 2.51 2.65 2.74 2.85 2.933.00 3.05 3.10三、钢筋（一）钢筋的种类AAD DDA-ADD钢绞线刻痕钢丝螺旋肋钢丝图11-5 钢绞线与钢丝图11-5 钢绞线与钢丝（二）钢筋与混凝土的共同工作1.钢筋与混凝土的粘结作用2.保证钢筋和混凝土间粘结的措施（1）基本锚固长度（2）钢筋的弯钩（3）钢筋的连接1）绑扎搭接连接2）机械连接接头3）焊接接头5d135°DD=4d(HRB335)5d(HRB400 RRB400)5dddd5dd(a) 末端带弯钩的机械锚固端（b) 末端双面贴焊钢筋的机械锚固端（c) 末端与方形钢板穿孔塞焊的机械锚固端图11-6 钢筋机械锚固的形式图11-6 钢筋机械锚固的形式(a) 手工弯标准钩(b) 机械弯标准钩≥2.5d6.25dd≥2.5dd图11-7 光面钢筋弯钩3d≥1.3l 1≥0.3l 1图11-8 钢筋绑扎搭接接头连接区段l 1图11-7 光面钢筋弯钩图11-8 钢筋绑扎搭接接头连接区段搭接处箍筋间距s≤5d且≤100mm图11-9 受拉钢筋搭接处箍筋设置图11-9 受拉钢筋搭接处箍筋设置第二节钢筋混凝土结构基本构件及其受力特点一、钢筋混凝土受弯构件（一）受弯构件的定义和类型混凝土压坏混凝土压坏（a) 正截面破坏（b) 斜截面破坏PPPP图11-10 受弯构件的破坏形式受压区中和轴受拉区受拉钢筋受压区受拉区受拉钢筋中和轴受压钢筋中和轴受拉钢筋图11-11 梁和板的横截面（a)（b) （c)图11-11 梁和板的横截面（二）受弯构件的截面形式及尺寸（b) T形梁图11-12 梁的截面形式受拉钢筋（a) 单筋矩形梁中和轴受压区（c) 工字梁受拉钢筋中和轴受压区中和轴受拉钢筋受压钢筋受压区（d) 十字梁 受拉钢筋中和轴受压区受拉钢筋受压区中和轴中和轴受压区受拉钢筋（e) 花篮梁 （f) 倒T形梁图11-12 梁的截面形式1.梁的截面形式及尺寸2.板的截面形式及板的厚度受压区受拉钢筋受压区受压区受拉钢筋（a) 矩形板 （b) 空心板（c) 槽形板图11-13 板的截面形式受拉钢筋图11-13 板的截面形式3.梁、板的支承长度（三）受弯构件的钢筋1.梁中钢筋124343213421图11-14 梁中钢筋骨架及配筋图箍筋架立钢筋弯起钢筋受力钢筋图11-14 梁中钢筋骨架及配筋图（1）纵向受力钢筋≥30≥1.5d保护层厚度≥25≥d≥25≥d≥25≥d保护层厚度保护层厚度图11-15 受力钢筋的排列图11-15 受力钢筋的排列表11-5 纵向受力钢筋的混凝土保护层最小厚度（mm）环境类别板、墙、壳梁柱≤C20C25～C50≥C45≤C20C25～C45≥C50≤C20C25～C45≥C50一201515302525303030二a-2020-3030-3030 b-2520-3530-3530三-3025-4035-4035（2）弯起钢筋≥50≤s max≥50≤s max ≤s max≤s max图11-16 弯起钢筋的布置图11-16 弯起钢筋的布置（3）箍筋（a) 单肢箍筋 （b) 双肢箍筋 （d) 复合箍筋 （d) 开口式箍筋图11-17 箍筋的形式和肢数图11-17 箍筋的形式和肢数≥50≤s max≥50≤s max≥50≤s max≥50≤s maxs≤10d 图11-18 箍筋的布置图11-18 箍筋的布置（4）架立钢筋（5）梁侧构造钢筋≤200≤200≤200≤200h w ≥450拉筋或纵向构造钢筋图11-19 腰筋和拉筋图11-19 腰筋和拉筋2.板中的钢筋受力钢筋分布钢筋分布钢筋受力钢筋图11-20 板的配筋图11-20 板的配筋（2）板的分布钢筋（1）板的受力钢筋二、钢筋混凝土受压构件图11-21 受压构件的分类（c) 双向偏心受压（b) 单向偏心受压（a) 轴心受压图11-21 受压构件的分类（一）受压的概念（二）受压构件的截面形式及尺寸（三）材料强度要求（四）柱中钢筋1.纵筋箍筋复合箍筋350350b <400350拉筋b <400h<600b <400600<h<1000600<h<10001000<h<1500复合箍筋2.箍筋不应采用内折角不应采用内折角图11-23 复杂截面的箍筋形式图11-23 复杂截面箍筋形式三、钢筋混凝土受扭构件（一）受扭的概念（二）受扭构件的钢筋PPHHMPM柱边梁楼面梁图11-24 受扭构件示例（a) 吊车梁（b) 框架边梁图11-24 受扭构件示例135°45°10d图11-25 受扭构件的配筋图11-25 受扭构件的配筋四、预应力混凝土构件概述（一）预应力混凝土的基本概念N NPPPPNN（b) 荷载作用（a) 预应力作用 （c) 预应力与荷载共同作用图11-26 预应力混凝土简支梁的受力情况图11-26 预应力混凝土简支梁的受力情况预应力混凝土结构的优点:1.自重轻，节约工程材料2.改善结构的耐久性3.提高结构的抗疲劳性能4.增强结构或构件的抗剪能力（二）预应力的施加方法1.先张法横梁固定端台座伸长张拉临时固定钢筋压缩压缩图11-27 先张法主要工序示意图图11-27 先张法主要工序示意图2.后张法锚固钢筋伸长混凝土压缩灌浆孔灌浆孔图11-28 后张法主要工序示意图图11-28 后张法主要工序示意图第三节钢筋混凝土梁板结构一、概述（一）钢筋混凝土楼盖的类型（二）现浇楼盖的类型图11-29 肋梁楼盖图11-30 无梁楼盖板次梁主梁柱板主梁柱密肋板梁梁图11-31 井字楼盖图11-32 密肋楼盖二、整体式单向板肋梁楼盖的构造（一）结构平面布置及梁、板截面尺寸（二）板的配筋构造1.受力钢筋的布置方式l/7l/10l/6al/5l/10l/7l/6a a l/6l/5≥120≥≥120≥hl b l b ll/10l/7l/6a al/6l/6a l/5（a)（b)l/6l/6l a图11-33 连续板的配（a) 一端弯起（b) 两端弯起al /6al /5l /10aal /6l /5l /7aaaal /5l /7aaaa≥120≥lblbllbla a l /6l /6a l /5（c) 分离式l /6l /6l /5l a图11-33 连续板的配筋方式（b) 两端弯起2.构造钢筋（1）与梁垂直的上部构造钢筋次梁主梁每米长度中不少于5根直径8mm的钢筋板的受力筋图11-34 板中与梁垂直的上部构造钢筋l 0/4l 0/4图11-34 板中与梁垂直的上部构造钢筋（2）嵌入砌体墙内板的上部构造钢筋（3）分布钢筋≥≥ln/4ln/7aa≥l n/7a a aa分布筋?6@25l n次梁主梁受力筋双向?8@200图11-35 单向板中的构造钢筋≥?8@2≥1/3跨中受力筋图11-35 单向板中的构造钢筋（三）次梁的配筋构造架立筋兼负筋≥20d5050≥A s /4≥A s /2≥A s /2≥A s /4h1/5l +20d1/3l1/5l +20d 2h 1/3l20d20dl n1l n2图11-36 次梁的钢筋布置l a h 鸭筋1212图11-36 次梁的配筋布置（四）主梁的配筋构造(a) 附加箍筋附加箍筋传递集中荷载的位置图11-37 附加横向钢筋附加吊筋传递集中荷载的位置h 1b s20d20d50(b) 附加吊筋h 150图11-37 附加横向钢筋三、整体式双向板肋梁楼盖的构造四、楼梯（一）现浇楼梯的类型和组成（二）现浇楼梯的构造1.板式楼梯（a) 弯起式配筋（b) 分离式配筋l n /6l n /4l n /6l n /4l nl 1/4l 1每步一根分布筋图11-38 板式楼梯的配筋l a楼梯平台2.梁式楼梯l nl n /4l n /4分布筋受力筋受力筋(每步不少于2?6）分布筋(不少于?6@250）cb图11-39 踏步板的配筋图11-39 踏步板的配筋l al a s图11-40 斜梁的配筋图11-40 斜梁的配筋五、雨篷hbl6060l a雨篷梁雨篷板受力筋分布筋图11-41 雨篷的配筋图11-41 雨篷的配筋第四节钢筋混凝土框架结构一、多层框架结构的类型与布置（一）框架结构的类型（二）框架结构的布置（a) 横向承重框架（c) 双向承重框架图11-42 承重框架布置方案（b) 纵向承重框架（d) 双向承重框架图11-42承重框架布置方案二、无抗震设防要求框架构造（一）梁柱截面的选择1.截面形状2.初选截面尺寸（二）节点的构造要求。

第十一章思考题参考答案11.1 现浇单向板肋梁楼盖中的主梁按连续梁进行内力分析的前提条件是什么？答：（1）次梁是板的支座，主梁是次梁的支座，柱或墙是主梁的支座。

（2）支座为铰支座--但应注意：支承在混凝土柱上的主梁，若梁柱线刚度比<3，将按框架梁计算。

板、次梁均按铰接处理。

由此引起的误差在计算荷载和内力时调整。

（3）不考虑薄膜效应对板内力的影响。

（4）在传力时，可分别忽略板、次梁的连续性，按简支构件计算反力。

（5）大于五跨的连续梁、板，当各跨荷载相同，且跨度相差大10%时，可按五跨的等跨连续梁、板计算。

11.2 计算板传给次梁的荷载时，可按次梁的负荷范围确定，隐含着什么假定？答：假定板、次梁非连续,并且仅短向传力。

11.3 为什么连续梁内力按弹性计算方法与按塑性计算方法时，梁计算跨度的取值是不同的？答：两者计算跨度的取值是不同的,以中间跨为例,按考虑塑性内力重分布计算连续梁内力时其计算跨度是取塑性铰截面之间的距离,即取净跨度;而按弹性理论方法计算连续梁内力时，则取支座中心线间的距离作为计算跨度，即取。

11.4 试比较钢筋混凝土塑性铰与结构力学中的理想铰和理想塑性铰的区别。

答：1）理想铰是不能承受弯矩，而塑性铰则能承受弯矩（基本为不变的弯矩）；2）理想铰集中于一点，而塑性铰有一定长度；3）理想铰在两个方向都能无限转动，而塑性铰只能在弯矩作用方向作一定限度的转动，是有限转动的单向铰。

11.5 按考虑塑性内力重分布设计连续梁是否在任何情况下总是比按弹性方法设计节省钢筋？答：不是的11.6 试比较内力重分布和应力重分布答：适筋梁的正截面应力状态经历了三个阶段：弹性阶段--砼应力为弹性，钢筋应力为弹性；带裂缝工作阶段--砼压应力为弹塑性，钢筋应力为弹性；破坏阶段--砼压应力为弹塑性，钢筋应力为塑性。

上述钢筋砼由弹性应力转为弹塑性应力分布，称为应力重分布现象。

由结构力学知，静定结构的内力仅由平衡条件得，故同截面本身刚度无关，故应力重分布不会引起内力重分布，而对超静定结构，则应力重分布现象可能会导：①截面开裂使刚度发生变化，引起内力重分布；②截面发生转动使结构计算简图发生变化，引起内力重分布。

第十一章模架的选取与结构零部件设计模架模架是成型模具的工艺装备，模架结构主要包括型腔型芯固定板、定模座板、动模座板、垫块、推板、推板固定板、垫板、导柱导套、支承柱、推出机构导柱导套、复位杆、垃圾钉等。

这里介绍的模架是模具行业常用的模架。

模架的形式模具行业常见的模架形式有3种，分别为大水口模架、细水口模架和简化型细水口模架。

大水口模架通常称为两板模，细水口模架称为三板模。

其中，每一种模架又包括多种类型。

（1）大水口模架大水口模架包括3种类型，分别为工字模(SAI、SBI、SCI、SDI)，直身有面板模（SAT、SBT、SCT、SDT）和直身无面板模（SAH、SBH、SCH、SDH）。

①工字模工字模与其他同类模架最大的区别在于定模座板动模座板宽度方向尺寸大于定模板A和动模板B板尺寸，如图11-1所示为常见工字模模架。

SAI SBI SCI SDI图 11-1大水口工字模模架②直身有面板模直身有面板模架最大的特点在于定模座板动模座板尺寸大小与定模板A和动模板B板尺寸相同，其示意图如图11-2所示。

SAT SBT SCT SDT图11-2直身有面板模模架③直身无面板模直身无面板模架没有定模座板板，如图11-3所示。

SAH SBH SCH SDH图11-3直身无面板模模架示意图直身模常用于模具尺寸大、安装有特殊要求的情况，在实际的模具加工过程中，需在定模座板与动模座板上创建模架固定位，以方便将模架固定在注塑机上。

（2）细水口模架细水口模架包括两种类型，即有脱料板D系列和无脱料板E系列，D 系列和E系列当中又分为工字模和直身模。

①有脱料板D系列工字模如图11-4所示为有脱料板D系列工字模模架，其中包括DAI型、DBI 型、DCI型和DDI型。

DAI DBI DCI DDI图11-4细水口有脱料板D系列工字模模架示意图②有脱料板D系列直身模如图11-5所示为有脱料板D系列直身模模架，其中包括DAH型、DBH 型、DCH型和DDH型。